JP2002009255A - Non-volatile semiconductor storage device - Google Patents
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- H10D30/00—Field-effect transistors [FET]
- H10D30/60—Insulated-gate field-effect transistors [IGFET]
- H10D30/701—IGFETs having ferroelectric gate insulators, e.g. ferroelectric FETs
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- Semiconductor Memories (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 データ保持中に強誘電体にかかるバイアスが
リーク電流によって消失し、記憶されたデータが短時間
で破壊される。
【解決手段】 強誘電体3がN型伝導が支配的であると
きはシリコン基板8をN型としてPチャネルFETを形
成し、強誘電体がP型伝導が支配的であるときはシリコ
ン基板8をP型としてNチャネルFETを形成する。
(57) [Summary] [PROBLEMS] A bias applied to a ferroelectric substance during data retention is lost due to a leak current, and stored data is destroyed in a short time. SOLUTION: When the ferroelectric substance 3 is dominated by N-type conduction, a P-channel FET is formed with the silicon substrate 8 as N-type, and when the ferroelectric substance is P-type conduction, the silicon substrate 8 is formed. Is formed as a P-type to form an N-channel FET.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、強誘電体キャパシ
タをゲート電位の制御に用いる電界効果型のトランジス
タ(FET)からなる不揮発半導体記憶装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device comprising a field effect transistor (FET) using a ferroelectric capacitor for controlling a gate potential.
【0002】[0002]
【従来の技術】ゲートに強誘電体を具備した従来の電界
効果型トランジスタ(FET)は、たとえば図4に示す
ような構成からなる。ここで、43はたとえばジルコン
−チタン酸鉛(PZT)またはタンタル酸ビスマス−ス
トロンチウム(SBT)などの金属酸化物からなる強誘
電体、44はシリコン酸化膜、40はゲート電極、45
はソース領域、46はドレイン領域、47はチャネル、
48はシリコン基板である。2. Description of the Related Art A conventional field effect transistor (FET) having a gate provided with a ferroelectric substance has, for example, a structure as shown in FIG. Here, reference numeral 43 denotes a ferroelectric made of a metal oxide such as zircon-lead titanate (PZT) or bismuth-strontium tantalate (SBT); 44, a silicon oxide film; 40, a gate electrode;
Is a source region, 46 is a drain region, 47 is a channel,
48 is a silicon substrate.
【0003】この構成において、強誘電体43は上向き
または下向きに分極でき、この二つの分極の状態に対応
させてその強誘電体FETのゲート下のシリコン基板の
表面ポテンシャルの深さを二つの異なる状態のどちらか
に設定できるものとする。このときゲート下のシリコン
基板の表面ポテンシャルは、強誘電体FETのソース−
ドレイン間の抵抗を支配するので、分極の向きによって
ソース−ドレイン間の抵抗は高い値と低い値の二つの状
態のいずれかとなり、この状態は強誘電体43の分極が
保持される限り保持(記憶)される。したがって、強誘
電体FETは不揮発のメモリ装置に応用できる。In this configuration, the ferroelectric 43 can be polarized upward or downward, and the depth of the surface potential of the silicon substrate under the gate of the ferroelectric FET is changed by two different states in accordance with the two polarization states. It can be set to either of the states. At this time, the surface potential of the silicon substrate under the gate is equal to the source potential of the ferroelectric FET.
Since the resistance between the drains is dominant, the resistance between the source and the drain takes one of two states of a high value and a low value depending on the direction of the polarization, and this state is maintained as long as the polarization of the ferroelectric 43 is maintained ( Is memorized). Therefore, the ferroelectric FET can be applied to a nonvolatile memory device.
【0004】このような構成の強誘電体FETにおいて
二つの異なる論理状態を記憶させ、これを読み出すため
の従来の技術は、たとえば強誘電体43が下向きに分極
した状態を論理“1”、上向きに分極した状態を論理
“0”、に対応させる。分極を下向きにするには、シリ
コン基板48の裏面を接地電位とし、ゲート電極40に
強い正の電圧を、上向きにするには強い負の電圧をそれ
ぞれ印加する。そののちゲート電極40の電圧は、これ
につながるトランジスタの接合リークにより急速に接地
電位になる。したがって、データ書き込み後のデータは
ゲート電極40およびシリコン基板48とが同電位の状
態で維持される。A conventional technique for storing and reading out two different logic states in a ferroelectric FET having such a structure is, for example, a logic "1" when the ferroelectric material 43 is polarized downward and a logic "1" when the ferroelectric material 43 is polarized upward. Is made to correspond to logic "0". To make the polarization downward, the back surface of the silicon substrate 48 is set to the ground potential, and a strong positive voltage is applied to the gate electrode 40, and to make the polarization upward, a strong negative voltage is applied. After that, the voltage of the gate electrode 40 rapidly becomes the ground potential due to the junction leak of the transistor connected to the gate electrode 40. Therefore, the data after data writing is maintained with the gate electrode 40 and the silicon substrate 48 at the same potential.
【0005】このデータ保持状態を、図5に示すエネル
ギーバンド図を用いて説明する。たとえば、シリコン基
板48をP型とし、ソース領域45およびドレイン領域
46をN型とする。この構成でゲート電極40に正のバ
イアスを印加し、分極が下向き(論理“1”の状態)に
データを書き込み、そののちゲート電極40を接地した
あとのエネルギーバンド図は、図5(a)に示すよう
に、シリコン基板48に負にイオン化した空乏層が基板
深くまでひろがり、N型伝導チャネル35が形成され、
シリコン基板48の界面ポテンシャルが接地電位より下
がる。ここで、31はゲート電極の伝導帯、32,3
3,および34はそれぞれ強誘電体、シリコン酸化膜、
およびシリコン基板のエネルギーバンドである。図5の
中で示す矢印30は強誘電体の分極の方向を、破線はフ
ェルミ準位を表す。一方、分極が上向き(論理“0”の
状態)にデータを書き込んだあとは図5(b)に示すよ
うに、シリコン基板48の界面にP型のキャリアである
正孔が蓄積し、シリコン基板48にはN型伝導チャネル
は形成されないから、シリコン基板48の界面ポテンシ
ャルは接地電位になる。The data holding state will be described with reference to an energy band diagram shown in FIG. For example, the silicon substrate 48 is P-type, and the source region 45 and the drain region 46 are N-type. In this configuration, a positive bias is applied to the gate electrode 40, data is written in a downward polarization (state of logic "1"), and the energy band diagram after the gate electrode 40 is grounded is shown in FIG. As shown in FIG. 5, a negatively ionized depletion layer spreads deeply into the silicon substrate 48, forming an N-type conduction channel 35.
The interface potential of the silicon substrate 48 falls below the ground potential. Here, 31 is the conduction band of the gate electrode, 32, 3
3, and 34 are ferroelectrics, silicon oxide films,
And the energy band of the silicon substrate. The arrow 30 shown in FIG. 5 indicates the direction of polarization of the ferroelectric, and the broken line indicates the Fermi level. On the other hand, after writing data with the polarization upward (the state of logic "0"), as shown in FIG. 5B, holes as P-type carriers accumulate at the interface of the silicon substrate 48, and Since no N-type conduction channel is formed in 48, the interface potential of the silicon substrate 48 becomes the ground potential.
【0006】このように、分極の向きによってゲート下
のシリコン基板48の界面ポテンシャルが異なるので、
ソース−ドレイン間に電位差を与えると、分極の向きに
よって流れる電流が異なることになる。すなわち、シリ
コン基板48の界面ポテンシャルが接地電位より下がっ
た論理“1”の状態はソース−ドレイン間は低抵抗(O
N状態)であり大きな電流が流れ、シリコン基板48の
ポテンシャルが接地電位である論理“0”の状態はソー
ス−ドレイン間は高抵抗(OFF状態)であり電流はほ
とんど流れない。このようにしてソース−ドレイン間の
電流を調べれば、強誘電体FETがON状態にあるかO
FF状態にあるかを知ることができる。As described above, since the interface potential of the silicon substrate 48 under the gate differs depending on the direction of polarization,
When a potential difference is applied between the source and the drain, the current flowing differs depending on the direction of polarization. That is, in the state of logic "1" where the interface potential of the silicon substrate 48 is lower than the ground potential, a low resistance (O
N state), a large current flows, and the state of logic "0" where the potential of the silicon substrate 48 is the ground potential is a high resistance (OFF state) between the source and the drain, and almost no current flows. By examining the current between the source and the drain in this manner, it is determined whether the ferroelectric FET is in the ON state or not.
It is possible to know whether it is in the FF state.
【0007】このように一つの強誘電体FETの論理状
態を読み出すにおいては、ソース−ドレイン間に電位差
を与えるのみでゲート電極40にバイアスを印加する必
要はない。すなわち、強誘電体FETのON状態はMO
Sトランジスタのデプレッション状態に相当する。In reading the logic state of one ferroelectric FET as described above, it is not necessary to apply a bias to the gate electrode 40 only by applying a potential difference between the source and the drain. That is, the ON state of the ferroelectric FET is MO
This corresponds to the depletion state of the S transistor.
【0008】しかし、図5(a)および(b)に示すよ
うに、データを書き込んだあとは、強誘電体43には正
または負のバイアスが必ず発生している。これらのバイ
アスを相殺するように酸化膜44およびシリコン基板4
8に電位が配分され、これらの電位配分がONまたはO
FFの状態を決定している。However, as shown in FIGS. 5A and 5B, after writing data, a positive or negative bias is always generated in the ferroelectric 43. The oxide film 44 and the silicon substrate 4
8 and the potential distribution is ON or O
The state of the FF is determined.
【0009】[0009]
【発明が解決しようとする課題】しかし、強誘電体43
は絶縁体に類するものの、その比抵抗は高々1015Ω・
5m程度なので、その厚さを100nmとすると、15
m2当りの抵抗は107Ωとなる。However, the ferroelectric 43
Is similar to an insulator, but its specific resistance is at most 10 15 Ω
It is about 5 m, so if its thickness is 100 nm, 15
The resistance per m 2 is 10 7 Ω.
【0010】図4に示されるように、強誘電体43の面
積は強誘電体FETのゲート面積とほぼ同じなので、以
下、強誘電体の面積とゲート面積を15m2に規格化し
て、その電気特性を議論する。As shown in FIG. 4, since the area of the ferroelectric 43 is substantially the same as the gate area of the ferroelectric FET, the area of the ferroelectric and the gate area are normalized to 15 m 2, and Discuss the characteristics.
【0011】図4においてゲート電極40とシリコン基
板48が接地電位である状態を等価回路で表すと、図5
のようになる。ここで、図6に示すように、COXはシリ
コン酸化膜の容量、CFは強誘電体の容量、RFは強誘電
体の内部抵抗である。COXは標準的なMOSトランジス
タのシリコン酸化膜の容量から高々0.1μF/5
m 2、CFは1μF/5m2で、これらの並列容量はほぼ
1μF/5m2となる。RFは先の議論により107Ω・
5m2であるから、図6の等価回路における仮想的な浮
遊電極50の電位は、容量COXとCFとが抵抗RFを介し
て放電することによって時間とともに指数関数的に低下
する。その時定数は(COX+CF)×RFなので、10秒
と計算できる。実際には、ゲート中のトラップや低電圧
領域でのオーム性伝導からのずれにより時定数は伸びる
傾向にあるが、それでも高々103秒が実験的限界であ
る。Referring to FIG. 4, a gate electrode 40 and a silicon-based
The state where the plate 48 is at the ground potential is represented by an equivalent circuit in FIG.
become that way. Here, as shown in FIG.OXIs Siri
Capacity of the oxidized film, CFIs the capacitance of the ferroelectric, RFIs ferroelectric
The internal resistance of the body. COXIs a standard MOS transistor
0.1 μF / 5 at most from the capacity of the silicon oxide film
m Two, CFIs 1μF / 5mTwoAnd these parallel capacities are almost
1μF / 5mTwoBecomes RFIs 10 according to the previous discussion.7Ω
5mTwoTherefore, virtual floating in the equivalent circuit of FIG.
The potential of the play electrode 50 is the capacitance COXAnd CFAnd the resistance RFThrough
Exponentially decreases with time due to discharge
I do. The time constant is (COX+ CF) × RFSo 10 seconds
Can be calculated. In practice, traps in the gate and low voltage
Time constant is extended by deviation from ohmic conduction in the region
There is a tendency, but still at most 10ThreeSeconds are the experimental limit
You.
【0012】これは、強誘電体43にかかるバイアスが
103秒程度で伝導チャネルが消失することを意味し、
記憶されたデータが短時間で破壊されることになる。This means that the conduction channel disappears when the bias applied to the ferroelectric 43 is about 10 3 seconds.
The stored data will be destroyed in a short time.
【0013】強誘電体FETを不揮発メモリとして実用
化するには、データの記憶保持はすくなくとも10年
(すなわち、108秒)以上必要であるが、このために
は、強誘電体の比抵抗を少なくとも5桁以上の1020Ω
・5m程度まであげなければならない。しかしながら、
このような高比抵抗の強誘電体を得る技術的手段は存在
せず、このことが強誘電体FETの工業的実用化を妨げ
る一要因となっていた。In order to put a ferroelectric FET into practical use as a non-volatile memory, it is necessary to retain data for at least 10 years (ie, 10 8 seconds). For this purpose, the specific resistance of the ferroelectric must be reduced. 10 20 Ω of at least 5 digits or more
・ Must be raised to about 5m. However,
There is no technical means to obtain such a ferroelectric material having a high specific resistance, and this has been one factor that hinders industrial practical use of ferroelectric FETs.
【0014】[0014]
【課題を解決するための手段】上記の問題を解決するた
めに、本発明はシリコン基板上にソース領域とドレイン
領域を設け、それらの間の上に形成した誘電体と、その
上に直接形成した強誘電体と、その上に形成したゲート
電極からなる電界効果型トランジスタ(FET)におい
て、前記強誘電体がN型伝導が支配的であるときは前記
シリコン基板をN型とし、前記ソース領域およびドレイ
ン領域をP型としてPチャネルFETを形成し、前記強
誘電体がP型伝導が支配的であるときは前記シリコン基
板をP型とし、前記ソース領域およびドレイン領域をN
型としてNチャネルFETを形成する不揮発半導体記憶
装置からなる。SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above problems, the present invention provides a source region and a drain region on a silicon substrate, a dielectric formed between them, and a dielectric formed directly on the dielectric. A field effect transistor (FET) comprising a ferroelectric and a gate electrode formed thereon, when the ferroelectric is dominated by N-type conduction, the silicon substrate is N-type and the source region is A P-channel FET is formed with the P-type drain region and the P-type. When the P-type conduction is dominant in the ferroelectric, the silicon substrate is P-type, and the source region and the drain region are N-type.
It is composed of a nonvolatile semiconductor memory device in which an N-channel FET is formed as a mold.
【0015】これにより、データ保持に強誘電体にバイ
アスがかかっても、バイアスに順方向の極性を持つ電荷
の担体は少数となるので、リークによる電荷の損失が生
じず、長時間にわたってデータを保持できるメモリセル
を提供できる。As a result, even if a bias is applied to the ferroelectric for data retention, a small number of carriers of charges have a forward polarity in the bias, so that no charge is lost due to leakage, and data is stored for a long time. A memory cell that can be held can be provided.
【0016】[0016]
【発明の実施の形態】図1は、本発明の実施の形態にお
ける不揮発半導体記憶装置を示す断面図である。FIG. 1 is a sectional view showing a nonvolatile semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention.
【0017】図1に示すように、本発明の不揮発半導体
記憶装置は、シリコン基板8上にソース領域5とドレイ
ン領域6を設け、それらの間の上に形成した誘電体4
と、その上に直接形成した強誘電体3と、その上に形成
したゲート電極10からなる電界効果型トランジスタ
(FET)において、強誘電体3がN型伝導が支配的で
あるときはシリコン基板8をN型とし、ソース領域5お
よびドレイン領域6をP型としてPチャネルFETを形
成し、強誘電体3がP型伝導が支配的であるときはシリ
コン基板8をP型とし、ソース領域5およびドレイン領
域6をN型としてNチャネルFETを形成するというも
のである。この構成によって、リークによる電荷の損失
が生じず、長時間にわたってデータを保持できるという
作用を有する。As shown in FIG. 1, in the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, a source region 5 and a drain region 6 are provided on a silicon substrate 8 and a dielectric 4 formed between them is formed.
And a field effect transistor (FET) comprising a ferroelectric 3 formed directly thereon and a gate electrode 10 formed thereon, when the ferroelectric 3 is dominated by N-type conduction, a silicon substrate A P-channel FET is formed by setting the source region 5 and the drain region 6 to be P-type. When the P-type conduction is dominant in the ferroelectric substance 3, the silicon substrate 8 is set to P-type. In addition, an N-channel FET is formed with the drain region 6 being N-type. With this configuration, there is an effect that data can be held for a long time without causing loss of charge due to leakage.
【0018】(実施の形態1)本発明の実施の形態1に
おける不揮発性半導体装置は、強誘電体3がP型伝導が
支配的であるとき、シリコン基板8をP型としたもので
ある。ここで、この不揮発性半導体装置のデータ保持状
態を図2に示すエネルギーバンド図に示す。(Embodiment 1) In a nonvolatile semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention, when the P-type conduction is dominant in the ferroelectric substance 3, the silicon substrate 8 is of P-type. Here, a data holding state of this nonvolatile semiconductor device is shown in an energy band diagram shown in FIG.
【0019】ここで、21はゲート電極の伝導帯、2
2,23,および24はそれぞれ強誘電体、シリコン酸
化膜、およびシリコン基板のエネルギーバンドである。
図2の中で示す矢印20は強誘電体の分極の方向を、破
線はフェルミ準位を表す。Here, 21 is the conduction band of the gate electrode, 2
Reference numerals 2, 23, and 24 are energy bands of the ferroelectric, the silicon oxide film, and the silicon substrate, respectively.
The arrow 20 shown in FIG. 2 indicates the direction of polarization of the ferroelectric, and the broken line indicates the Fermi level.
【0020】ここで図1における強誘電体3の内部抵抗
を介したリーク電流の電荷の担体に着目すると、強誘電
体3とシリコン酸化膜4との界面は互いに直接接してい
るので、これらの界面に存在する電荷は分極電荷であ
る。したがって、自由に動き回れる担体はこの界面には
存在しない。Here, paying attention to the carrier of the charge of the leakage current via the internal resistance of the ferroelectric 3 in FIG. 1, since the interface between the ferroelectric 3 and the silicon oxide film 4 is in direct contact with each other, The charges present at the interface are polarization charges. Therefore, there is no freely movable carrier at this interface.
【0021】そこで、ゲート電極10をP型のシリコン
基板8に対して正にバイアスして分極を基板の方向へ向
けたのち、バイアスをゼロにして図2(a)のようにP
型シリコン基板の表面に形成されたN型伝導チャネル2
5を保持する。Then, the gate electrode 10 is biased positively with respect to the P-type silicon substrate 8 to direct the polarization toward the substrate, and then the bias is reduced to zero, as shown in FIG.
Conduction channel 2 formed on the surface of a silicon substrate
Hold 5.
【0022】このとき、図2(a)で明らかなように、
強誘電体3にはシリコン基板8に対して負のバイアスが
かかっている。このバイアスにより、電荷の担体が強誘
電体に注入されるのは、シリコン酸化膜4側からの正孔
の注入か、ゲート電極10側からの電子の注入の二つで
ある。しかし、誘電体3とシリコン酸化膜4との界面近
傍には自由に動き回れる担体はこの界面には存在しない
ので、前者のメカニズムによる担体の注入はない。した
がって、担体の注入はゲート電極10側からの電子の注
入だけとなる。At this time, as is apparent from FIG.
A negative bias is applied to the ferroelectric 3 with respect to the silicon substrate 8. Two carriers are injected into the ferroelectric substance by this bias, ie, injection of holes from the silicon oxide film 4 side and injection of electrons from the gate electrode 10 side. However, there is no freely movable carrier near the interface between the dielectric 3 and the silicon oxide film 4 at this interface, so that the carrier is not injected by the former mechanism. Therefore, the carrier is injected only from the gate electrode 10 side.
【0023】しかし、本発明によれば、P型のシリコン
基板にはP型伝導が支配的な強誘電体3を用いるので、
ゲート電極10側から注入された電子は強誘電体3を伝
導できない。伝導できない電子はゲート電極10と強誘
電体3との界面に局在することになるが、これによって
電子に対する強誘電体3の界面ポテンシャルは加速的に
高くなり、事実上電子の注入は行われなくなる。However, according to the present invention, since the P-type silicon substrate uses the ferroelectric material 3 in which P-type conduction is dominant,
Electrons injected from the gate electrode 10 side cannot conduct through the ferroelectric 3. Electrons that cannot be conducted are localized at the interface between the gate electrode 10 and the ferroelectric 3, but this increases the interfacial potential of the ferroelectric 3 with respect to the electrons at an accelerating rate. Disappears.
【0024】この結果、ゲート電極10側からの電子の
注入もなくなるので、強誘電体3にかかるバイアスは長
期間維持され、これによって、P型のシリコン基板8の
表面のN型伝導チャネルも維持される。As a result, since the injection of electrons from the gate electrode 10 side is also eliminated, the bias applied to the ferroelectric 3 is maintained for a long period of time, whereby the N-type conduction channel on the surface of the P-type silicon substrate 8 is also maintained. Is done.
【0025】また、上述の構成でゲート電極10をP型
のシリコン基板8に対して負にバイアスして分極をゲー
ト電極の方向へ向けたのち、バイアスをゼロにして図2
(b)のようにP型シリコン基板の表面に形成されたN
型伝導チャネル25を消去するとする。このとき、ゲー
ト電極10への負のバイアスは図5(b)のようなバイ
アスが強誘電体3にかからぬよう,十分小さく調整する
ので、図2(b)のようにエネルギーバンドはほぼ熱平
行状態となり、消失したN型伝導チャネル25は,消失
したまま、ほぼ永続的に維持される。In the above-described configuration, the gate electrode 10 is biased negatively with respect to the P-type silicon substrate 8 so that the polarization is directed toward the gate electrode.
The N formed on the surface of the P-type silicon substrate as shown in FIG.
Suppose that the conduction channel 25 is to be erased. At this time, the negative bias to the gate electrode 10 is adjusted sufficiently small so that the bias as shown in FIG. 5B is not applied to the ferroelectric 3, so that the energy band is almost as shown in FIG. The N-type conduction channel 25 which is in a thermal parallel state and disappears is maintained almost permanently while disappearing.
【0026】(実施の形態2)本発明の実施の形態2に
おける不揮発性半導体装置は、強誘電体3がN型伝導が
支配的であるとき、シリコン基板8をN型としたもので
ある。ここで、この不揮発性半導体装置のデータ保持状
態を図3に示すエネルギーバンド図に示す。(Embodiment 2) In a nonvolatile semiconductor device according to Embodiment 2 of the present invention, when the N-type conduction is dominant in the ferroelectric 3, the silicon substrate 8 is made N-type. Here, the data holding state of this nonvolatile semiconductor device is shown in the energy band diagram shown in FIG.
【0027】ここで、21はゲート電極の伝導帯、2
2,23,および24はそれぞれ強誘電体、シリコン酸
化膜、およびシリコン基板のエネルギーバンド、26は
N型シリコン基板のエネルギーバンド、27はN型シリ
コン基板の空乏層である。同様に、図3の中で示す矢印
30は強誘電体の分極の方向を、破線はフェルミ準位を
表す。Here, 21 is the conduction band of the gate electrode, 2
Reference numerals 2, 23, and 24 denote the ferroelectric, the silicon oxide film, and the energy band of the silicon substrate, 26 denotes the energy band of the N-type silicon substrate, and 27 denotes the depletion layer of the N-type silicon substrate. Similarly, the arrow 30 shown in FIG. 3 indicates the direction of polarization of the ferroelectric, and the broken line indicates the Fermi level.
【0028】実施の形態2における不揮発半導体記憶装
置は、ゲート電極10をN型のシリコン基板8に対して
負にバイアスして分極をゲート電極10の方向へ向けた
のち、バイアスをゼロにして図3(a)のようにN型シ
リコン基板の表面に形成されたP型伝導チャネル27を
保持する。In the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment, the gate electrode 10 is biased negatively with respect to the N-type silicon substrate 8 so that the polarization is directed toward the gate electrode 10, and then the bias is reduced to zero. The P-type conduction channel 27 formed on the surface of the N-type silicon substrate as shown in FIG.
【0029】このとき、図3(a)で明らかなように、
強誘電体3にはシリコン基板8に対して正のバイアスが
かかっている。このバイアスにより、電荷の担体が強誘
電体に注入されるのは、シリコン酸化膜4側からの電子
の注入か、ゲート電極10側からの正孔の注入の二つで
ある。しかし、誘電体3とシリコン酸化膜4との界面近
傍には自由に動き回れる担体はこの界面には存在しない
ので、前者のメカニズムによる担体の注入はない。した
がって、担体の注入はゲート電極10側からの正孔の注
入だけとなる。At this time, as is apparent from FIG.
A positive bias is applied to the ferroelectric 3 with respect to the silicon substrate 8. The carrier of the charge is injected into the ferroelectric by this bias in two ways: the injection of electrons from the silicon oxide film 4 side and the injection of holes from the gate electrode 10 side. However, there is no carrier that can freely move around the interface between the dielectric 3 and the silicon oxide film 4, so that the carrier is not injected by the former mechanism. Therefore, carrier injection is only injection of holes from the gate electrode 10 side.
【0030】しかし、本発明によれば、N型のシリコン
基板にはN型伝導が支配的な強誘電体を用いるので、ゲ
ート電極10側から注入された正孔は強誘電体3を伝導
できない。伝導できない正孔はゲート電極10と強誘電
体3との界面に局在することになるが、これによって正
孔に対する強誘電体3の界面ポテンシャルは加速的に高
くなり、事実上正孔の注入は行われなくなる。However, according to the present invention, since the N-type silicon substrate uses a ferroelectric material in which N-type conduction is dominant, holes injected from the gate electrode 10 side cannot conduct through the ferroelectric material 3. . The holes that cannot be conducted are localized at the interface between the gate electrode 10 and the ferroelectric 3, but this increases the interfacial potential of the ferroelectric 3 with respect to the holes at an accelerating rate. Will not be performed.
【0031】この結果、ゲート電極10側からの正孔の
注入もなくなるので、強誘電体3にかかるバイアスは長
期間維持され、これによって、N型のシリコン基板8の
表面のP型伝導チャネル27も維持される。As a result, the injection of holes from the side of the gate electrode 10 is also eliminated, so that the bias applied to the ferroelectric 3 is maintained for a long time, whereby the P-type conduction channel 27 on the surface of the N-type silicon substrate 8 is maintained. Is also maintained.
【0032】また、上述の構成でゲート電極10をN型
のシリコン基板8に対して正にバイアスして分極をシリ
コン基板8の方向へ向けたのち、バイアスをゼロにして
図3(b)のようにP型シリコン基板の表面に形成され
たP型伝導チャネル27を消去するとする。このとき、
ゲート電極10への正のバイアスは強誘電体3にバイア
スが発生せぬよう,十分小さく調整するので、図3
(b)のようにエネルギーバンドはほぼ熱平行状態とな
り、消失したP型伝導チャネルは,消失したまま、ほぼ
永続的に維持される。In the above configuration, the gate electrode 10 is biased positively with respect to the N-type silicon substrate 8 to direct the polarization toward the silicon substrate 8, and then the bias is reduced to zero, as shown in FIG. Thus, the P-type conduction channel 27 formed on the surface of the P-type silicon substrate is erased. At this time,
Since the positive bias applied to the gate electrode 10 is adjusted to be sufficiently small so that no bias is generated in the ferroelectric 3, FIG.
As shown in (b), the energy band is substantially in a heat parallel state, and the disappeared P-type conduction channel is maintained almost permanently while disappearing.
【0033】たとえば、強誘電体がN型伝導が支配的な
SrBi2(Ta,Nb)2O9であるときには、N型の
シリコン基板を用いてPチャネルFETを形成したほう
が、P型のシリコン基板を用いてNチャネルFETを形
成するよりデータの記憶保持時間は長くなる。For example, when the ferroelectric is SrBi 2 (Ta, Nb) 2 O 9 where N-type conduction is dominant, it is better to form a P-channel FET using an N-type silicon substrate than to form a P-type FET. Data storage and retention time is longer than when an N-channel FET is formed using a substrate.
【0034】[0034]
【発明の効果】以上のように本発明によれば、シリコン
基板表面に一旦形成された伝導チャネルは長時間保持さ
れ、伝導チャネル消去の操作が行われるまで状態が変化
することはない。また、一旦伝導チャネルの消去が行わ
れると、その状態はほぼ永続的に維持される。As described above, according to the present invention, the conduction channel once formed on the surface of the silicon substrate is retained for a long time, and the state does not change until the operation of erasing the conduction channel is performed. Also, once the conduction channel is erased, its state is maintained almost permanently.
【図1】本発明の不揮発半導体装置の素子断面図FIG. 1 is a sectional view of an element of a nonvolatile semiconductor device of the present invention.
【図2】(a)本発明の実施の形態1における不揮発半
導体記憶装置のP型のシリコン基板とP型伝導が支配的
な強誘電体とを用いたときのN型伝導チャネルの維持状
態を示すエネルギーバンド図 (b)本発明の実施の形態1における不揮発半導体記憶
装置のN型伝導チャネルを消去した状態を示すエネルギ
ーバンド図FIG. 2A shows a state in which an N-type conduction channel is maintained when a P-type silicon substrate and a P-type conductive dominant ferroelectric are used in the nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention; (B) Energy band diagram showing a state in which the N-type conduction channel of the nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention is erased.
【図3】(a)本発明の実施の形態2における不揮発半
導体記憶装置のN型のシリコン基板とN型伝導が支配的
な強誘電体とを用いたときのP型伝導チャネルの維持状
態を示すエネルギーバンド図 (b)本発明の実施の形態2における不揮発半導体記憶
装置のP型伝導チャネルを消去した状態を示すエネルギ
ーバンド図FIG. 3A shows a state in which a P-type conduction channel is maintained when an N-type silicon substrate and a N-type-dominated ferroelectric are used in the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention; (B) Energy band diagram showing a state where the P-type conduction channel of the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention is erased.
【図4】従来の金属−強誘電体−絶縁体−シリコンゲー
ト構造のFETの素子断面図FIG. 4 is a cross-sectional view of a conventional FET having a metal-ferroelectric-insulator-silicon gate structure.
【図5】(a)従来の不揮発半導体記憶装置のP型のシ
リコン基板と強誘電体とを用いたときのN型伝導チャネ
ルの維持状態を示すエネルギーバンド図 (b)従来の不揮発半導体記憶装置のN型伝導チャネル
を消去した状態を示すエネルギーバンド図5A is an energy band diagram showing a state of maintaining an N-type conduction channel when a P-type silicon substrate and a ferroelectric of a conventional nonvolatile semiconductor memory device are used; FIG. 5B is a conventional nonvolatile semiconductor memory device; Band diagram showing a state in which the N-type conduction channel of FIG.
【図6】NチャネルFETのチャネル保持状態の等価回
路図FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of a channel holding state of an N-channel FET.
3 強誘電体 4 シリコン酸化膜 5 ソース領域 6 ドレイン領域 7 チャネル 8 シリコン基板 10 ゲート電極 21 ゲート電極の伝導帯 22 強誘電体のエネルギーバンド 23 酸化膜のエネルギーバンド 24 P型シリコン基板のエネルギーバンド 25 N型伝導チャネル 26 N型シリコン基板のエネルギーバンド 27 P型伝導チャネル Reference Signs List 3 ferroelectric 4 silicon oxide film 5 source region 6 drain region 7 channel 8 silicon substrate 10 gate electrode 21 gate electrode conduction band 22 ferroelectric energy band 23 oxide film energy band 24 p-type silicon substrate energy band 25 N-type conduction channel 26 Energy band of N-type silicon substrate 27 P-type conduction channel
Claims (1)
領域を設け、それらの間の上に形成した誘電体と、その
上に直接形成した強誘電体と、その上に形成したゲート
電極からなる電界効果型トランジスタ(FET)におい
て、前記強誘電体がN型伝導が支配的であるときは前記
シリコン基板をN型とし、前記ソース領域およびドレイ
ン領域をP型としてPチャネルFETを形成し、前記強
誘電体がP型伝導が支配的であるときは前記シリコン基
板をP型とし、前記ソース領域およびドレイン領域をN
型としてNチャネルFETを形成する不揮発半導体記憶
装置。An electric field comprising a dielectric formed above a source region and a drain region on a silicon substrate, a ferroelectric formed directly thereon, and a gate electrode formed thereon. In an effect transistor (FET), when the ferroelectric material is dominated by N-type conduction, a P-channel FET is formed by setting the silicon substrate to N-type and the source and drain regions to P-type. When the P-type conduction is dominant in the dielectric, the silicon substrate is P-type, and the source region and the drain region are N-type.
A nonvolatile semiconductor memory device in which an N-channel FET is formed as a mold.
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